Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

• ПГУТИ
• Кафедра РЭС
• РЕФЕРАТ
• Умножители частот
• Самара 2019

• Содержание
• Введение
• 1 Гармонический сигнал
• 1.1 Гармонический сигнал и его параметры
• 1.2 Математические операции над гармоническими сигналами
• 1.3Устройства формирования гармонического сигнала
• 1.4 Необходимость умножения частот в радиопередающих устройствах
• 2 Умножители частот
• 2.1 Назначение умножителей частот
• 2.2 Структурная схема умножителя частот
• 2.3 Влияние угла отсечки на умножения частоты
• 2.4 Принципиальная схема умножителя частот на транзисторном генераторе
• 2.5 Принципиальная схема умножителя частот на варикапах и варакторах
• Список использованных источников


Введение

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя - вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Особенности умножителей частоты, принцип их работы и принципиальные схемы будут рассмотрены в данной работе.

гармоничный сигнал умножение частота генератор



1. Гармонический сигнал

1.1 Гармонический сигнал и его параметры

Для начала необходимо разобраться, как же классифицируются сигналы. Рассмотрим подробно гармонические сигналы, форма которых повторяется через определенный интервал времени T, называемый периодом. Периодические сигналы в свою очередь делятся на два больших класса - гармонические и негармонические.

Гармонический сигнал - это сигнал, который можно описать следующей функцией:

,(1.1)

где:

A- Амплитуда сигнала

щ=2р- круговая частота

ц- фазовый сдвиг

Рисунок 1.1 - Параметры гармонического сигнала

Амплитуда - это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) снимается со схемы.

Частота - это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, (f = 1/T). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.

Период (величина, обратная частоте) -- это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид и обозначают буквой T.

Фазовый сдвиг -это разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. Сдвиг фаз является величиной безразмерной и может измеряться в градусах, радианах или долях периода.

С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени. То есть, фактически -- это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси откладывается время, а по вертикальной оси -- значения напряжения или тока в этот момент времени. Существует множество различных типов электрических сигналов, но в целом, все они могут быть разбиты на две основные группы.[6]

Однополярные сигналы - это электрические сигналы, которые всегда положительные или всегда отрицательные, не пересекающие горизонтальную ось. К однонаправленным сигналам относятся меандр, тактовые импульсы и запускающие импульсы.

Рисунок 1.2- Однополярный и двухполярный сигнал



Двухполярные сигналы - эти электрические сигналы также называют чередующимися сигналами, так как они чередуют положительные значения с отрицательными, постоянно пересекая нулевое значение. Двухполярные сигналы имеют периодическое изменение знака своей амплитуды. Наиболее распространенным из двунаправленных сигналов, является синусоидальный[7].

1.2 Математические операции над гармоническими сигналами

Рассмотрим операции, которые можно выполнять над гармоническими сигналами в современных системах.

1) Основное тригонометрическое тождество:

(1.2)

2) Зависимость между синусом, косинусом, тангенсом и котангенсом:

(1.3)

(1.4)

(1.5)

3) Чётность, нечётность и периодичность тригонометрических функций.

Косинус - чётная функция, а синус, тангенс и котангенс - нечётные функции аргумента Ь:

(1.6)



(1.7)

(1.8)

(1.9)

Синус и косинус - периодические с периодом 2\р функции, а тангенс и котангенс - периодические с периодом р функции:

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.13)

Число 2\р является наименьшим положительным периодом синуса и косинуса, а число р - наименьшим положительным периодом тангенса и котангенса.

Для любого целого n справедливы равенства:

,(1.14)

,(1.15)

,(1.16)

,(1.17)

4) Формулы сложения:

,(1.18)

,(1.19)

,(1.20)



,(1.21)

,(1.22)

,(1.23)

5) Формулы двойного и тройного аргумента:

,(1.24)

,(1.25)

,(1.26)

,(1.27)

,(1.28)

6) Формулы понижения степени:

,(1.29)

,(1.30)

7) Формулы приведения:

(1.31)

(1.32)

(1.33)



(1.34)

(1.35)

(1.36)

(1.37)

(1.38)

8) Формулы суммы и разности синусов:

(1.39)

(1.40)

9) Формулы суммы и разности косинусов:

(1.41)

(1.42)

10) Формулы суммы и разности тангенсов:

(1.43)

(1.44)



11) Преобразование произведения синусов и косинусов в сумму (разность):

(1.45)

(1.46)

(1.47)

12) Выражение синуса и косинуса через тангенс половинного аргумента[8]:

(1.48)

(1.49)

1.3 Устройства формирования гармонического сигнала

Для формирования синусоидального сигнала применяются различные схемы генераторов и формирователей. Любой генератор (не только синусоидальных колебаний) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из усилителя и селективной цепи (частотно-избирательная цепь). Причем селективная цепь включена в цепь ПОС (положительная обратная связь) усилителя, где могут быть включены дополнительные усилители.

Допустим, на вход селективной цепи поступает сигнал, состоящий из большого количества синусоидальных колебаний (гармоник). Проходя через селективную цепь, колебания ослабляются (происходит уменьшение амплитуды) в различной степени, а также происходит изменение фазы данных колебаний. В результате на вход усилителя с выхода селективной цепи поступают синусоидальные сигналы с различными уровнями амплитуды и фазовыми сдвигами, где происходит их усиление для компенсации ослабления селективной цепью.

Так как селективная цепь пропускает без изменения фазы только гармонику определённой частоты, то после усилителя на вход селективной цепи поступит та же гармоника с такой же амплитудой и фазой, которую пропускает селективная цепь, а остальные гармоники будут с изменёнными амплитудами и фазами сигнала. В результате сложения исходного сигнала и сигнала поступающего с выхода усилителя только у гармоники, на частоту которой настроена частотно-избирательная цепь, будет происходить значительное увеличение амплитуды.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что петлевое усиление схемы должно быть не меньше единицы (в идеальном случае равно 1), а полный фазовый сдвиг схемы равен нулю.

Схем генераторов синусоидальных или как их ещё называют гармонических колебаний, существует большое количество, рассмотреть которые в одной работе не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них, которые построены на ОУ и RC-цепочках.

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или просто генератор Вина является одним из самых распространённых RC-генераторов синусоидальных колебаний. Схема данного генератора показана на рисунке 1.3.



Рис. 1.3 - Схема генератора Вина на основе ОУ

Генератор Вина состоит из ОУ DA1, который охвачен ООС (отрицательная обратная связь) посредством резисторов R1 и R2, а также ПОС (положительная обратная связь) с помощью частотно-избирательной цепи R3C1R4C2.

Частотно-избирательная цепь R3C1R4C2 называется мостом Вина, от названия которого и получил наименование генератор данного типа. Данный мост состоит из последовательно включённых дифференцирующей цепи R4C2 и интегрирующей цепи R3C1. Как известно для генерирования сигнала мост Вина должен обеспечить нулевой фазовый сдвиг сигнала. Это обеспечивается равенством постоянной времени интегрирующей цепи R3C1 и дифференцирующей цепи R4C2. R4C2=R3C1.

Тогда частота, при которой будет сдвиг фаз равный нулю, определяется следующим выражением

(1.40)

(1.41)

(1.42)



(1.43)

При данном условии коэффициент передачи цепи ПОС будет равен 1/3. Поэтому для того чтобы компенсировать данное условие коэффициент передачи цепи ООС должен быть равен 3, то есть

(1.44) (1.45)

Генератор с мостом Вина обеспечивает выходной синусоидальный сигнал с небольшими искажениями - порядка 0,05 %. Однако у данного типа генератора существует серьёзная проблема в том, что для получения качественного синусоидального сигнала необходимо обеспечить точные соотношения резисторов в цепи ООС R1 и R2, то есть обеспечить коэффициент передачи цепи равный трём (в = 1/3). Так если в < 1/3 то возникшие колебания будут с сильными искажениями, а в случае в > 1/3 даже если и возникнут колебания их амплитуда будет постепенно уменьшаться и со временем станет равной нулю. Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют различные автоматические системы стабилизации амплитуды.

Ещё одним видом генератора синусоидальных колебаний является генератор на фазосдвигающих цепочках. Схем генератора данного типа существует несколько разновидностей, в их основе лежат лестничные RC-цепи, которые обеспечивают сдвиг фазы для генерируемой частоты на 180°. Что с учётом инвертирующего усилителя, который также обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°, получаем суммарный сдвиг фазы сигнала 0°. Количество звеньев лестничной цепи может быть любое количество, но не менее трёх.



Рис. 1.4 - Генератор синусоидальных колебаний на фазосдвигающих цепочках

Так же как и в случае с мостом Вина лестничные цепи ослабляют сигнал, поэтому коэффициент усиления ОУ должен компенсировать данное ослабление. Чтобы не углубляться в вывод расчётных формул приведу основные соотношения в различных типах генераторах со сдвигающими лестничными цепями.

Для схемы на рисунке А

,(1.46)

,(1.47)

,(1.48)

.(1.49)

Так же как и в генераторе Вина основной проблемой является обеспечение стабильности амплитуды. Решением данной проблемы является использование в схеме автоматической стабилизации амплитуды путём введения нелинейных сопротивлений в цепь ООС ОУ. Простейшим таким стабилизатором амплитуды является сборка из двух встречно-паралелльных полупроводниковых диодов.

Кроме показанных генераторов синусоидальных сигналов в современной электронике находят применения методы выделения нужного синусоидального колебания из более сложного, например, из треугольного или прямоугольного посредством разложения его в ряд Фурье[15]. 

Зачастую используется косинусно-синусный генератор с полиномиальной аппроксимацией отсчетов выходных колебаний

Для формирования двух квадратурных компонент на выходегенератора используются два пилообразных колебания, сдвинутых друг относительно друга на четверть периода (рисунок 1.5).

Исходным является одно из пилообразных колебаний (в рассматриваемом случае z_c). Второе получается из него следующим образом:

.(1.50)

Рисунок 1.5 - Формирование косинусной и синусной компонент из двух пилообразных колебаний



Из двух пилообразных колебаний формируются два треугольных описанным выше способом:

,(1.51)

,(1.52)

Для формирования из треугольных колебаний синусоидальных используется функциональное преобразование F(Y), представляющее собой полином третьей или пятой степени:

, где:(1.53)

.

, где:(1.54)

,

,

.

Генерируемые колебания определяются по приведенным соотношениям:

,(1.55)

.(1.56)

При использовании полинома третьей степени коэффициент третьей гармоники равен Кг3 = 0.5%, коэффициент пятой гармоники Кг5 = 0.1%. При использовании полинома пятой степени Кг3=0.005%, Кг5 = 0.005%. Для дальнейшего уменьшения коэффициентов гармоник используются полиномы более высокого порядка.



1.4 Необходимость умножения частот в радиопередающих устройствах

В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых измерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого частота этого колебания увеличивается в k раз,k - целое положительное число. Такое нелинейное преобразование называется умножением частоты, а устройство, его реализующее, - умножителем частоты.

Таким образом, умножитель частоты - это устройство, которое увеличивает в k раз частоту гармонического колебания. Если на вход умножителя подается сигнал

,(1.57)

то на выходе формируется сигнал

,(1.58)

причем некоторые умножители увеличивают в k раз и начальную фазу.

Умножители частоты используются при формировании колебаний с высокой стабильностью частоты. Это относится, прежде всего к формированию высокочастотных колебаний при кварцевой стабилизации частоты задающего генератора.

Собственная частота кварцевого генератора определяется выражением:

, где:(1.59)

b- толщина пластинки кварца.

Длячастоты более50 МГц пластинка должна иметь толщину порядка сотых долей миллиметра. Такие пластинки изготовить очень трудно, они имеют слабую механическую прочность. Поэтому такой метод стабилизации используют в генераторах с частотой до 5 МГц, в отдельных случаях до 50 МГц. Колебания более высоких частот получают с помощью умножителей частоты [10].

Перемножение частот также осуществляется в узле радиопередатчика, который называется модулятор.

В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей и модулятор. Кроме того, радиопередающие устройства (особенно мощные) содержат много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр.

Операция изменения параметров несущих (модулируемых) более высокочастотных сигналов более низкочастотными управляющими (модулирующими) сигналами называется модуляцией и реализуется специальными устройствами - модуляторами.

Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» (умножения) информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения нового модулированного сигнала.

В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.

В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией [11].

Рассмотрим более подробно процесс модуляции в устройствах. На рисунке 1.6 показана модуляция звукового сигнала, который поступает от микрофона и накладывается на высокочастотный сигнал который вырабатывает ВЧ генератор.

Рисунок 1.6 - Процесс модуляциисигнала [12]

Рисунок 1.7 - Виды модуляций сигнала а) Модулирующий (первичный) НЧ сигнал б)Модулируемый ВЧ сигнал в) Амплитудная модуляция г) Частотная модуляция д) Фазовая модуляция



На рисунке 1.7 показаны как изменяются параметры сигнала, если производить модуляцию по амплитуде, частоте и фазе.



2. Умножители частот

2.1 Назначение умножителей частот

В передающих и приемных трактах систем связи, а также в некоторых измерительных устройствах широко применяется нелинейное преобразование гармонического колебания, в результате которого частота этого колебания увеличивается в k раз,k - целое положительное число. Такое нелинейное преобразование называется умножением частоты, а устройство, его реализующее, - умножителем частоты [2].

Умножители частоты, или как их называют в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Индукционные печи с токами высокой частоты, радиосвязные, радионавигационные и радиолокационные системы, схемы подавления помех, системы управления скоростью двигателя - вот далеко не полный перечень областей применения умножителей частоты.

Появление первых разработок умножителей частоты относится к 30-м и 40-м годам XX века.

В электротехнике и электронике умножителем частоты называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для увеличения в целое число раз N частоты подводимых к нему периодических электрических колебаний в заданном диапазоне частот с требуемой стабильностью и качеством выходного сигнала.

Основной параметр - коэффициент умножения частоты N, определяемый как отношение частоты выходного сигнала к частоте входного:



,(2.1)

Характерной особенностью умножителей частоты является постоянство N при изменении (в некоторой конечной области) частоты входного сигнала, а также параметров самого умножителя (например, резонансных частот колебательных контуров или резонаторов, входящих в состав умножителя частоты), т.е. в умножителе частоты относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остается постоянной. Это важное свойство позволяет использовать умножители частоты для повышения частоты стабильных колебаний в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и других установках; при этом N может достигать 10 и более.

Основная проблема при конструировании умножителей частоты - это уменьшение фазовой нестабильности входных колебаний (обусловленной случайным характером изменения их фазы), которая приводит к увеличению относительной нестабильности частоты на выходе по сравнению с соответствующей величиной на входе.

В настоящее время выявились следующие основные методы построения умножителей частоты:

- косвенный на базе систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ);

-прямой, с использованием фильтрующих элементов на поверхностно-аккустических волнах

- цифровой на основе вычислительных процедур.

Наиболее распространены умножители частоты, состоящие из нелинейного устройства (например, транзистора, варикапа, катушки с ферритовым сердечником) и одного или нескольких электрических фильтров. Нелинейное устройство изменяет форму входных колебаний, вследствие чего в спектре колебаний на его выходе появляются составляющие с частотами, кратными входной частоте. Эти сложные колебания поступают на вход фильтра, который выделяет составляющую с заданной частотой , подавляя (не пропуская) остальные. Такие устройства применяются для умножения частоты гармонических колебаний.

Находят применение также умножители частоты, действие которых основано на синхронизации колебаний автогенератора. В таких приборах возбуждаются колебания с частотой

,(2.2)

которая становится в точности равной под действием поступающих на вход колебаний с частотой .

Недостатком этих умножителей частоты является сравнительно узкая полоса значений ,при которых возможна синхронизация.

Необходимо отметить, что умножители частоты с ИФАПЧ относятся к числу чрезвычайно динамичных, развивающихся систем формирования дискретного множества частот. Решающую роль при этом играют такие важнейшие преимущества умножителей частоты и ИФАПЧ, как возможность реализации высококачественных спектральных и приемлемых динамических характеристик при хороших габаритных, энергетических и других показателях.

Умножители частоты с ИФАПЧ не имеют каких либо принципиальных ограничений с точки зрения выбора частотного диапазона выходного сигнала. Практически может использоваться любой участок частотной оси: от единиц и десяткой герц до гигагерц, при этом используемая в ИФАПЧ система автоподстройки определяет быстродействие устройства [1].

Использование умножителей частоты в передатчиках позволяет:

1) понизить частоту задающего генератора при сохранении более высокой частоты на выходе передатчика, а, следовательно, применить кварцевую стабилизацию частоты в коротковолновых и ультракоротковолновых передатчиках, так как кварцевые пластины непосредственно для KB и УКВ оказываются механически непрочными и применить их нельзя; кварцевые резонаторы изготовляются на частоты не более 100 МГц, а применение умножителей позволяет получить стабилизированные кварцем колебания до тысяч мегагерц; кроме того, при бескварцевой стабилизации частоты параметры контура автогенератора на более низкой частоте получаются лучшими;

2) расширить в п раз диапазон волн передатчика, не расширяя диапазон волн задающего генератора;

3) повысить устойчивость работы передатчика потому, что при большой разнице в рабочих частотах каскадов, стоящих перед умножителем и после него, паразитная обратная связь значительно уменьшается;

4) повысить стабильность частоты возбудителя, так как при разных частотах настройки входного и выходного контуров умножителя изменение настройки входного контура почти не влияет на настройку его выходного контура, а следовательно, и на настройку контура предыдущего каскада;

5) увеличить девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции;

6) сформировать множество стабилизированных кварцем частот в синтезаторах частоты возбудителей широкополосных передатчиков [3].

2.2 Структурная схема умножителя частот

Основные параметры УЧ:

• коэффициент умножения N,

• выходная мощность Р_N,

• коэффициент передачи по мощности

К_рN=Р_N/Р_вх1, (2.3)



где Р_вх1 - входная мощность,

• КПД выходной цепи,

• уровень побочных спектральных составляющих.

Другие важные параметры: амплитудная и частотная характеристика УЧ, стабильность фазы выходного напряжения, изменение выходной мощности при вариации температуры и др.

Умножители частоты можно разделить на два класса:

- умножители на нелинейных активных приборах (лампы, транзисторы);

- умножители на нелинейных пассивных приборах (диоды, варикапы).

Рисунок 2.1- Общая структурная схема умножителя частоты.

1) Фильтр Ф1 согласует источник возбуждения с входной цепью нелинейного элемента (НЭ).

2) НЭ: транзистор с отсечкой тока, лампы, клистроны, варакторы и т.д.

3) Фильтр Ф2: подобран так, чтобы через Rн протекал только ток N-ой гармоники [3].

2.3 Влияние угла отсечки на умножения частоты

Понятие угла отсечки сигнала проще всего пояснить по рисунку 7.



Рисунок 2.2 - Определение угла отсечки по выходному току

На данном рисунке часть синусоиды, показанная серым цветом, на выходе транзистора отсутствует (отсекается). Угол отсечки определяется как половина фазового угла прохождения тока через транзистор или электронную лампу за период синусоидального колебания. Так как ток на выходе усилительного прибора уже не соответствует входному сигналу, то при поступлении на вход синусоидального сигнала, на его выходе образуется ряд гармонических составляющих. Их можно определить при помощи преобразования Фурье:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)



Функции зависимости амплитуды гармоники от угла отсечки получили название функций Берга. По этим графикам можно определить уровень гармоники в выходном сигнале и коэффициент полезного действия. Функции Берга для первых пяти гармоник приведены на рисунке 2.3.

На данных графиках угол отсечки, равный 180°, соответствует режиму работы A. Для этого усилителя гармоники входного сигнала отсутствуют, а уровень тока потребления б0 и полезного сигнала б1 совпадают. Это соответствует коэффициенту полезного действия 50%. Угол отсечки, равный 120°, соответствует режиму работы AB. В данном случае максимальный к.п.д можно ожидать в районе 65%, уровень второй гармоники -- 18%, уровень третьей гармоники -- 6%. Причем третья гармоника находится в противофазе с полезным сигналом.

Рисунок 2.3 - Графики коэффициентов Берга.

Режим работы B работает при угле отсечки, равном 90°. По графику, приведенному на рисунке 2.3, определяем отношение . Отсюда максимально достижимйк.п.д. такого усилителя будет равным 78%. При необходимости можно определить угол отсечки, при котором максимума достигнет вторая или третья гармоники входного сигнала.

В качестве еще одного примера применения коэффициентов Берга определим максимально достижимый к.п.д усилителя класса C, работающего при угле отсечки тока, равном 30°. . Отсюда максимально достижимй к.п.д. такого усилителя будет равным 95%.

Следует отметить, что коэффициент усиления тоже зависит от угла отсечки выходного тока. При уменьшении И он уменьшается. Это следует учитывать при проектировании усилителя мощности. График зависимости коэффициента усиления от угла отсечки приведен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - График зависимости коэффициента усиления по мощности от угла отсечки

Максимальная достижимая выходная мощность на выходе транзистора или электронной лампы тоже зависит от угла отсечки. График этой зависимости приведен на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 -График зависимости выходной мощности от угла отсечки

Умножение частоты может осуществляться тремя методами[4]:

§ метод угла отсечки;

§ метод получения частот с помощью периодической последовательности импульсов (ППИ);

§ метод получения кратных частот с помощью радиоимпульса.

2.4 Принципиальная схема умножителя частот на транзисторном генераторе

Схема умножителя частоты аналогична схеме обычного усилителя радиочастоты. Умножитель отличается от усилителя тем, что выходной контур умножителя настроен на вторую, третью или п-ю гармонику входного напряжения. Поэтому на нагрузке выделяется мощность той гармоники, на которую настроен выходной контур.

Из анализа режима колебаний второго рода известно, что с увеличением номера гармоники амплитуда гармонических составляющих уменьшается: I_n=б_n, Imах- Поэтому полезная мощность и КПД умножителя меньше, чем усилителя. Режим умножения применяют в маломощных ступенях передатчика, низкий КПД которых практически не снижает КПД передатчика в целом.

Принцип построения транзисторных умножителей частоты основан на использовании двух физических процессов: выделения нужной гармоники из импульса коллекторного тока и нелинейного характера изменения коллекторной емкости от изменения коллекторного напряжения.

Рисунок 2.6 - Схема транзисторного умножителя частоты.

Транзисторные умножители частоты, работающие на принципе выделения нужной гармоники из импульса, обеспечивают умножение на сравнительно низких частотах. Это происходит потому, что с повышением рабочей частоты импульс коллекторного тока расширяется (вплоть до 180°) и содержание высших гармоник в нем резко снижается.

Для умножения на более высоких частотах используется нелинейность коллекторной емкости. Это позволяет получить на выходе умножителя частоту больше граничной частоты транзистора. На рис.10 приведена схема транзисторного умножителя частоты, работающего как на низких, так и на высоких частотах. На вход схемы подается напряжение основной частоты, на которую настроен контур в цепи базы транзистора. В цепи коллектора включены фильтры, выделяющие на нагрузке заданную гармонику.

Транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. Для получения мощности на более высоких частотах после транзисторного генератора включают умножители частоты на полупроводниковых диодах -- варикапах и варакторах.

Рассмотрим схемы соединения транзисторных генераторов.

Для увеличения выходной мощности ГВВ включают параллельно или последовательно несколько транзисторов для работы на одну общую нагрузку.

При параллельном включении транзисторов для работы на одну общую нагрузку одноименные электроды транзисторов соединяют между собой параллельно. При этом токи отдельных транзисторов в общем проводе складываются, и в выходном контуре выделяется суммарная мощность.

Рисунок 2.7 - Схема двухтактного генератора

При параллельном включении транзисторов паразитные емкости отдельных транзисторов, соединяясь между собой, увеличивают общую паразитную емкость схемы, что понижает устойчивость работы схемы в целом.

Соединяемые параллельно транзисторы должны иметь одинаковые параметры, иначе один из транзисторов будет шунтировать другой транзистор и нагрузку. Значительный разброс параметров транзисторов приводит к необходимости применять дополнительные схемные решения, выравнивания режимов работы отдельных транзисторов. Однако это приводит к усложнению схемы, а следовательно снижает надежность ее работы. Поэтому ограничиваются включением не более двух-трех транзисторов параллельно. Вследствие сложности настройки и снижения надежности схемы с параллельным включением транзисторов применяются редко.

Двухтактные генераторы малой мощности (десятки ватт) на частотах 1 --10 МГц можно выполнять на трансформаторах с магнитной связью, как показано на рис.11. Транзисторы в этой схеме работают в режиме класса В, т. е. с углом отсечки 0 = 90°. При подаче на вход переменного напряжения возбуждения в цепях коллекторов импульсы коллекторных токов сдвинуты по фазе на 180°. По току первой гармоники транзисторы оказываются соединенными последовательно.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT1 протекает от коллектора VT1 через транзистор VT1, затем участок эмиттер -- коллектор транзистора VT2, через нагрузку Т2 к коллектору транзистора VT1.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT2 протекает от коллектора VT2 через участок коллектор -- эмиттер VT2, через эмиттер -- коллектор VT1, через нагрузку и к коллектору VT2.

Через нагрузку Т2 коллекторные токи первой гармоники протекают в одном направлении и поэтому суммируются. В общем проводе питания токи первой гармоники направлены навстречу и взаимно компенсируются.

На выходе этой схемы при хорошей ее симметрии высшие гармоники отсутствуют, так как четные гармоники коллекторных токов обоих транзисторов в выходном трансформаторе компенсируются, а нечетные гармоники в импульсах с отсечкой 0 = 90° практически отсутствуют [5].

2.5 Принципиальная схема умножителя частот на варикапахи варакторах

Варикапом называют полупроводниковый диод, емкость которого изменяется с изменением величины приложенного к нему напряжения (variren -- менять, capazitat -- емкость).

Емкость р--n-перехода складывается из барьерной емкости Сб и диффузионной Сд. При закрытом переходе основной является барьерная емкость, при открытом -- диффузионная. Обе емкости нелинейно зависят от приложенного напряжения.

На рис. 2.8 показаны зависимости барьерной Сб, диффузионной Сд и результирующей Св=Сб + Сд емкостей от значения напряжения, приложенного к его электродам. Здесь Свар -- емкость варикапа.

Варикапами называют маломощные диоды с нелинейной емкостью, а варакторами -- мощные.

Рисунок 2.8- Вольт-фарадная характеристика варикапа

Варикап обычно используют в максимальном режиме, и рабочим участком его характеристики C=f (U) является часть ее, соответствующая закрытому состоянию варикапа.

Внутреннее сопротивление варикапа в основном реактивное, потери мощности в нем незначительные и коэффициент передачи по мощности довольно высокий: 0,75 в удвоителе и 0,4 в утроителе. Коэффициентом передачи здесь называют отношение мощностей выделяемой и первой гармоник. На варикапах обычно выполняют удвоители и утроители частоты небольшой мощности. На варакторах выполняются умножители более высокого порядка (n--10... 15) и на большую мощность.

Применение варакторных умножителей частоты в радиопередающих устройствах ультракоротких волн обеспечивает возможность применения транзисторов в этом диапазоне. Современные транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц.

Получение более высоких частот достигается следующим образом. После задающего генератора ставят несколько транзисторных усилителей, которые увеличивают мощность колебаний до значения, несколько превышающего заданную мощность в антенне. А затем включаются варакторные умножители, которые повышают частоту до рабочего значения. Но КПД передатчика при этом понижается. Однако энергетические потери оправдываются получением высоких частот, которых использованием только транзисторов получить нельзя.

Варикап (или варактор) в умножителе частоты можно включать по параллельной (рис. 2.9,а) или по последовательной (рис. 2.9, б) схеме:

Рисунок 2.9 - Схема включения варикапа.

В варакторном удвоителе частоты (рис. 2.10) входной контур образован индуктивностями L1, L2 и паразитной емкостью схемы. Он настроен на первую гармонику входного напряжения. Выходной контур, настроенный на вторую гармонику, выполнен в виде объемного резонатора Р. Проникновение первой гармоники в выходную цепь преграждается фильтр-пробкой.

При увеличении коэффициента умножения n уменьшается мощность и КПД. Увеличить КПД и выходную мощность умножителя при n >З оказывается возможным путем применения активных электронных приборов, работающих в классе Д.

Рисунок 2.10 -Варакторный удвоитель частоты[3]



Список использованных источников

1.Умножитель частоты[Электронный ресурс]:реферат Александра Дурова. Режим доступа к реферату:

http://coolreferat.com/Умножительчастоты- Загл. с экрана.

2.А.Н. Надольский «Телевизионное и звуковое вещание» [Текст] : / А.Н. Надольский.- Минск: 2005. -171с.

3.Умножители частоты [Электронный ресурс]:Материалы сайта studopedia.info. Режим доступа к материалам:

https://studopedia.info/5-129059.html- Загл. с экрана.

4.Понятие угла отсечки. Коэффициенты Берга.[Электронный ресурс]:Лекция Микушина Александра Владимировича. Режим доступа к лекции:http://digteh.ru/Sxemoteh/RejRab/Berg / - Загл. с экрана.

5.Умножители частоты [Электронный ресурс]: Материалы сайта studopedia.su. Режим доступа к материалам: https://studopedia.su/10_103368_umnozhiteli-chastoti.html- Загл. с экрана.

6.Формы и характеристики электрических сигналов [Электронный ресурс]: публикация Андрея Антонова. Режим доступа к публикации:

http://robotosha.ru/electronics/electrical-waveforms.html- Загл. с экрана.

7.Основные понятия и определения теории связи[Электронный ресурс] :

лекции харьковского национального университета радиоэлектроники.Режим доступа к лекции: https://studfiles.net/preview/3047373/page:2/- Загл. с экрана.

8.Основные формулы тригонометрии[Электронный ресурс]:

образовательный сайт umath.ru. Режим доступа к публикации: https://umath.ru/theory/trigonometry/- Загл. с экрана.

9.Автоматизированные системы управления и связь [Электронный ресурс]: лекции Уфимского Государственного Авиационного Технического Университа. Режим доступа к лекции: https://studfiles.net/preview/2218130/ - Загл. с экрана.

10.Теоретические основы радиотехники [Текст]: А.Н. Надольский, Учебное пособие.-Минск 2005- 216с.https://studopedia.ru/7_40366_obshchie-svedeniya-o-lineynih-tsepyah.html - Загл. с экрана.

11.Специальные преобразования сигнала: Модуляция и детектирование [Электронный ресурс]: материалы сайта studme.org.Режим доступа к материалам:https://m.studme.org/245728/tehnika/spetsialnye_preobrazovaniya_signala -Загл. с экрана.

12.Радиосвязь [Электронный ресурс]: материалы сайта bigslide.ru. Режим доступа к материалам:http://bigslide.ru/fizika/29812-radiosvyaz.html - Загл. с экрана.

13. Основы цифровой связи [Текст]: Николаев Б.И., Чингаева А.М., Харитонова А.А. Учебное пособие.-Самара 2013- 200с.

14. Основы электрической связи [Текст]: Клокский Д.Д.- Москва 2009- 648с

15. Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ [Электронный ресурс]:electronicsblog, Импульсная техника, Усилительная схемотехника дата публикации 4 июня 2016 Режим доступа к материалам:http://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-sinusoidalnyx-kolebanij-na-ou.html- Загл. с экрана.

Размещено на Allbest.ru